智能景观灯具设计及应用加权矩阵的流程优化研究

韩宇翃 马志伟 李维亮

关键词：产品设计 景观灯具设计 加权矩阵分析 人机工程学 设计流程优化

引言

城市的照明设施作为城市的基础设施，在保障人们出行安全和装扮城市方面发挥着重要作用。传感技术与物联网技术的普及使得智能化设计成为城市景观灯具新的发展趋势。智能景观灯具作为一种新产品，如何保证产品创新设计质量，提高创新产品开发效率，增强设计决策的准确度，在激烈的市场竞争中占据一席之地，成为急需解决的问题，优化新产品的开发流程成为当务之急。

产品开发流程最早的研究可以追溯到Booz、Allen、和Hamilton提出的BAH模型，该模型描述了产品构想到市场所有环节的活动，以线性方式进行各个环节的开展。Urban和Hauser则将新产品开发的决策分为五步并在此基础上提出了UH模型。Cooper则是在BAH模型基础之上进行细化，在每个阶段之后加入“gate”概念，帮助企业及时决策，构建了“Stage-gate”模型;然而新产品的开发在国内受限于企业的技术创新能力和设计管理模式，对于开发流程的研究更多集中在优化流程中的单一阶段来达到优化整个流程的目的。

由于新产品开发过程中，各阶段并非是独立存在的，而是相互联系的，针对这一点，借助DSM矩阵优化“Stage-gate”模型中的阶段划分为开发流程优化提供了新的思路，在对原智能化景观灯具设计流程分析之后，提出基于CMF加权矩阵分析，借助人机工程学的非线性开发流程，以达到缩短智能景观灯具类公共设施的研发周期，减少设施落地后出现设计问題的可能性，达到节约成本，改良外观，提升运行稳定性的目的。

一、智能景观灯具的原研发流程

智能景观灯具相比于一般灯具，有预设的运行模式，可以接受外界信息并作出对应的反应[1] ，具有更强的功能性、交互性与趣味性。

智能景观灯具的开发流程常见为线性结构，按照功能需求分析、原型机搭建、造型设计、结构设计、样机生产、批量生产落地的顺序进行如图1，各环节之间分工明确，在遇到问题无法执行时回溯到上一环节修改，以此类推，直到产品开发完成。

但景观灯具设计开发是一个整体的过程，由于原流程中各个环节之间的沟通较少，相关负责人只了解自身负责的部分，不能系统地考虑设计问题。在造型设计中需要综合多方因素考虑的环节缺乏系统的决策方法，如灯具的CMF设计、尺寸设计往往凭经验进行，导致产品出现瑕疵。

二、加权矩阵分析

（一）加权矩阵分析优势

加权矩阵分析法是一种基于多种标准进行决策选择并以矩阵的方式直观呈现结果的系统方法，对于智能景观灯具设计中的一些决策起到科学、系统的评估作用。

运用加权矩阵分析法的优点在于可以清晰地列出各项决策与对应的评估标准，并根据项目实际需求为各项标准赋予权重，在矩阵中为各项决策与对应标准的契合度打分，并通过公式在矩阵中计算出最终评分，依据评分可以直观看出决策本身的优劣，它使得决策者能够科学的地考虑和衡量决策的相对重要性。

（二）加权矩阵模型的建立

由于加权矩阵分析在景观灯具的设计中可以起到重要的作用，以景观灯具的设计决策为例，建立加权矩阵分为以下三步：

1.建立评估项并赋予权重

在智能景观灯具的设计中，需要根据项目进程与最终结果的需求设定评估标准，如灯具外壳材料的加工难度、使用寿命、运输成本、生产成本、外观效果等，之后根据各项标准的重要性赋予权重，作为矩阵的计算的评估基准。

2.列出满足需求的决策并打分

达到某一目的的解决方案往往有多个，如为满足景观灯具的外结构需求，可以选择木材、石材、金属、合成高分子材料、玻璃等材质方案，依据列出的各项评估标准，如材质的加工成本，生产难度等为各材质方案打分。

3.矩阵计算及公式

通过各项解决方案的打分与评估标准的权重进行的矩阵计算，可以得出每种决策方案的最终得分，以此为依据对所有方案进行筛选，以保证所选方案的科学性。如表1所示，在矩阵中，我们将设：权重=L，决策方案=A，评估指标=B，对应决策方案A1与评估指标B1的评分=X1-1，根据矩阵计算公式，则S1=X1-1*L1+X1-2*L2+X1-3*L3+……X1-n*Ln，通过对计算结果S的数值比较，可以明确地判断出决策方案A1、A2、A3……An的相对优势。

三、智能景观灯具的CMF及其加权矩阵分析

景观灯具可以通过其CMF影响使用者的情绪，提升其外观的竞争力，增强其耐用性。CMF（Color、Material、Finishing）在工业设计中具体指相关产品设计的色彩、材质与表面工艺。在目前智能景观灯具的设计开发中，其CMF设计往往依赖工程师的经验决策，作为联系景观灯具与使用者之间的重要媒介，加权矩阵分析可以使其决策更加合理。

在满足功能与外观的前提下，智能景观灯具的CMF搭配方式往往有多种，为选出最优解，本文对智能景观灯具设计中常见的CMF组合进行加权矩阵分析。首先列出CMF选择需要满足的若干指标;然后对各个指标赋予权重;最后将CMF组合列出，按照加权矩阵的计算公式 对指标进行打分，得到加权矩阵，比较矩阵的计算结果，选择最佳组合方案，如表2所示。

四、智能景观灯具设计流程优化案例

公园、街道基础照明设施鲜明的展示了创新技术是如何应用于智能城市基础技术系统的。从根本上讲，街道照明是扩大室外空间使用的基础设施。通过结合先进的计算、通信和节能照明技术来创建“智能”公园、街道照明系统，从而提高了城市空间的可用性。

智慧触摸景观灯具是本课题组与校企合作基地合作，依据以下流程开发的一款适用于公园的产品。与传统景观灯具区别，它通过激光传感器感应人手的距离，可以对应人的动作作出相应的灯效变化。交互性的提升有效地吸引了游人的注意力、促进交流;内置的无线信号收发器，便于管理者远程更改其运行模式和后期的运维管理，构建“平灾结合”的灾前预防-灾中适应-灾后恢复的韧性公共设施作，如图2，本文以此为例对公共设施智能化设计流程进行研究。

（一）优化后流程分析

优化后的开发流程如图3所示，需要一定项目基础来使各环节的负责人相互了解，在整个的研发流程中，每个环节都不应该是独立的，在某一环节进行时，要充分考虑上一环节提出的要求以及对下一环节的约束：

1.在提出功能需求时，要考虑能否实现，原型机是否可以顺利搭出;

2.在进行原型机搭建时要考虑最终设计结构的可行性;

3.结构设计应与样机生产方对最终设计结构的可行性接，根据其生产能力与工艺能力选择合适的结构;

4.该款灯具的造型作为最后成果的表现，从需求的提出到样机生产，到测试样机改进方案，运用加权矩阵分析与人机工程学分析，结合设计美学的要求，将各个环节的约束条件整合，提出最终的设计方案。

（二）功能需求分析

在智能景观灯具的开发中，功能需求分析是第一步，通过对现有问题或设施功能提升空间做分析，提出研发方向以及具体要求。智能景观灯具的常见需求包括触摸感应、红外感应、光效、声效、远程操控等，以智慧触摸景观灯柱为例：

1.无人靠近状态

在无人靠近时，灯柱发光区呈呼吸灯状态，同时从图4中随机选取1个色彩以流动的方式从下向上逐渐替换原色彩，速度为15s移动整条灯带的距离;亮度变化以15s为一个周期，由5%（可调）增加为30%（可调），保持3s，后逐步降低为5%。

2.交互状态

当手触摸时，立即产生“手指触摸效果”，其中最亮部分亮度为255（可調），色彩为手触摸时该点所显示的呼吸灯色彩，当触摸点移动时，该光斑（主光斑）随触摸点上下移动;

主光斑在1s后产生大小、亮度随机的光斑（副光斑）向上移动，其移动速度恒定，且亮度逐渐减弱至消失。在主光斑跟随手移动时，该效果不变，若手向上移动速度快于副光斑，副光斑便落后于主光斑显示;当触摸点离开触摸灯柱时，光斑消失，同时向上方分离大小、方向随机的发光斑;当有多个触摸点时，按触摸时间显示最早触摸点光斑灯效。

（三）原型机搭建

根据优化后的流程，为实现提出的需求，需要根据技术要求进行功能模块开发与原型机试验：

1.确认智能景观灯具的设备选型，如传感器、灯带、变压器、单片机类型等;

2.根据其应用场所、安全规范、系统耗电量、耗电功率等确认使用风能太阳能等新能源进行自发电能否满足需求;如果需要市电接入，根据现场情况以及交互方式选择合适的供电电压及功率;

3.如需支持远程更改智能景观灯具的运行方式，需要接入网络通讯模块与单片机[2] ，常见通讯模块为RS485 ，具有接口电平低，不易损坏芯片、传输速率高、抗干扰能力强、传输距离远、支持节点多等优点。

智慧触摸景观灯柱需要实现的功能包括：光效、触摸感应，其中的灯光呼吸与色彩流动效果，采用12v的LED全彩灯，通过单片机控制灯光的颜色与时间、亮度等，实现呼吸、流动效果。其触摸交互的实现方式依靠激光传感器，确定手与地面的距离，同步控制灯带对应位置的LED灯实现。以此原理为依据，采购相应设备，以原型机的形式证明需求的可实现性，如图5。

经过流程优化后，原型机在搭建时充分与功能需求环节沟通，实现需求与原型机的动态调整，避免了因需求环节对原型机搭建不了解提出不合理需求的问题;需求确定后，与结构设计充分的沟通可以保证原型结构的可行性，对最终的灯具设计起到指导意义。

（四）造型设计

造型设计不仅仅是考虑外观，需要将功能结构与人机工程学、CMF设计、设计美学等多种因素结合，实现工程技术与美学艺术和谐统一。

1.人机尺寸

智能景观灯具的设计开发以大批量生产为目的，为满足大多数人的需求而进行设计，最终的公共设施是被人来使用的，所以相关的尺寸必须要以人机工程学为参考，与人的生理、心理特点相匹配[3] ，表3为人体基本尺寸表，在进行设计时可以作为人机工程学参考。

智能景观灯具人机工程学设计首先要考虑灯具的功能类型，由于功能不同交互方式存在差异，所需要遵循的人机尺度各有不同，根据智能景观灯具的类型确定使用双限值设计、单限值设计还是平均尺寸设计[4] 。

在确定智能景观灯具尺寸的百分位后，还要进行尺寸修正，设计中用到的尺寸应该考虑设计裕度，在选定的尺寸上加适当的修正量，得到产品的最小功能尺寸;为了克服人心理上的空间压抑感以及审美需求等心理，在产品最小功能尺寸上还要加心理修正量，得到智能景观灯具的最佳功能尺寸。人机工程尺寸确定流程如图6。

为了简化设计，智能景观灯具的尺寸常根据身高确定，以身高为基准确定操作高度、显示和使用高度时，如表4所示，以供设计时选择和查用，在选择参考时应注意数据的时效性[5] 。

以智慧触摸景观灯柱为例，由于使用者无年龄、性别限制，且触摸范围存在明显的上限与下限，宜采用双限值设计，需要根据公共设施的使用方式依据两个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值和下限值，其触摸区域的最高点高度大于人立姿操作高度P95，最低点高度小于P5，以保证绝大多数人都可以使用，如图7所示。

2.智慧景观灯具的CMF设计

该款灯具的外观可分外三层，最下层采用不锈钢做底座承重，坚固耐用，表面做拉丝处理;中层采用乳白色亚克力柱，起到透光、滤光的作用，表面做防紫外线镀膜处理，保证其在室外的使用年限;顶层承载激光测距仪，为减轻重量，采用铝质外壳并做表面拉丝处理，与底座外观效果呼应。

（1）色彩设计

色彩是智能景观灯具外观形态中最具有表现力的元素[6] ，以景观灯具的形态为基础，会对使用者产生各种不同的影响，在灯具的设计中，我们常利用到色彩的以下几种特性：

材质认知影响：依据生活经验，人们会将对材质与色彩的认知联系起来，如金色银色对应金属等材质，棕色等对应木质等，在智慧景观灯具的设计中，若处于古建群环境下，木质灯具外壳由于本身的特性于室外时易损坏，即可对金属或混凝土材质进行木材的常见颜色与花纹喷涂处理，在外观上与环境吻合，又能保证灯具的耐用性;

情绪影响：鲜艳的色彩一般与愉快、兴奋等正面情绪相关，而冷色调的色彩多与冷静、平淡的情绪相联系，如商业街中的灯具通常会选择鲜艳的灯光色彩来刺激消费，而在医院等地，则选择冷色光来缓解人情绪中的紧张冲动，在设计时应考虑环境特点，选择合适的色彩引导使用者的情绪倾向;

温度认知影响：灯光色彩的色相、純度、明度都可以让人产生冷或暖的温度认知，其中色相对温度认知的影响最大，所以在一些户外灯具中，我们常见到暖色调的应用，就是为了减弱在冬季或夜间使用时的冰冷感;

（2）材质设计

材质是构成智能景观灯具形态的物质基础，是产品功能和结构的载体，智能景观灯具设置于公共空间，与人的交互频繁，其产品的材质选择必须考虑安全性与可持续性，在材质的选择时，我们要避免使用可能会危害健康或生产污染大的材质。此外，为降低成本，提高生产效率，智能景观灯具的外壳在材质的选择上还应兼顾加工工艺简单、便于清洁维护、成本可控、凸显地域文化特征等功能。

智能景观灯具常见的主体材质为不锈钢、铝材，灯罩部分常见材质为玻璃、合成高分子材料等，内结构中高精度部件根据用量多少进行成本核算，使用模具或机加工实现。在智能景观灯具设计中常见材质如表5所示。

（3）表面工艺设计

在智能景观灯具的设计中，表面工艺的正确使用对于增强灯具的美观性，提升灯具的功能性具有重要作用。在运用时，应该根据灯具的功能、使用环境、材料性质等特点，正确地选择表面处理工艺，赋予景观灯具表面更符合审美与功能的色泽、肌理等，改善其物理性能、化学性能，使灯具外观更有竞争力。

景观灯具外壳依据材质特性常见的表面处理工艺可分为四类：机械表面处理，常用如喷砂抛光、拉丝、喷沙、喷漆等;化学表面处理，常用如化学氧化、化学镀各种金属与合金等;电化学表面处理，常用如阳极氧化、电化学抛光、电镀等;现代表面处理，常用如激光表面雕刻等。

（4）智慧景观灯柱的CMF加权矩阵分析

经过CMF加权矩阵分析（如表6），确定智慧触摸景观灯柱的CMF，色彩使用材质原色，材质使用金属与乳白色亚克力，表面工艺使用电抛光与金属拉丝，按权重计算结果，材质选择金属与亚克力结合，色彩选择材质原色，表面工艺选择抛光、拉丝。

（五）结构设计

改款灯具的结构设计需要结构设计工程师根据灯柱功能而进行的内部结构的设计工作，根据景观灯柱外观模型进行零件的分件、确定各个部件的固定方法、设计灯柱的使用方式等，结构设计在产品形成过程中，起着十分重要的作用。由于智能景观灯柱具有应用范围广、运行环境复杂的特点，所以在设计时要着重考虑设备的防水，防水等级分级如表7所示，一般应达到IPX5，案例中的触摸景观灯柱因其安装在草地中，所以需要达到IPX7的防水级别，避免由于环境因素导致损坏，同时在易损位置应设有检修口，方便后期的维护。

（六）样机生产

在根据功能需求成功搭建原型机，完成工业设计与结构设计之后，根据图纸与厂家对接进行样机制作;通过对智能景观灯具样机的功能、结构、稳定性等指标测试，对方案进行优化，得出最终的批量生产方案，一个智能景观灯具产品开发流程结束;在实地安装后，对产品进行长时间的观测与数据采集，进一步完善设计方案进行迭代。

结论

智能景观灯具的设计应该立足与解决安全问题与提高可持续城市空间的社会价值，既要兼顾功能需求，还要考虑其造型、色彩与人机尺度。应用加权矩阵分析法为智能景观灯具的CMF设计决策提供系统的解决方案，可以避免由于决策多样化而错过最优解的情况;应用人机工程学分析可以确定智能景观灯具的人机尺度，提升用户体验，提高产品竞争力。本文梳理智能景观灯具产品的开发流程，改良原有线性流程，使开发的每一环节都能与相关其他环节互相沟通，在有一定项目合作基础的情况下，改良过智能公共设施开发流程，可以避免因为各环节沟通不到位导致的重复工作，能有效提高研发效率，缩短研发周期。